基于3D打印與逆向工程技術的項目教學

朱笛

摘 要 本文結合3D打印技術與逆向工程技術的特點，制定項目教學實施方案。項目教學內容包含Handyscan三維掃描儀對零件實物進行掃描，通過Geomagic Studio軟件進行逆向建模（三維數據采集和點云處理），再通過UG軟件進行模型實體建構，最后通過3D打印技術實現零件實物的快速成型，進而實現快速制造。該項目教學提高和促進學生對現代化設計及制造技術的認知和創新制作能力具有積極的作用。

關鍵詞 3D打印 逆向工程 數據采集 快速制造

隨著工業技術的發展針對提高產品的開發速度而提出的虛擬制造、逆向工程等先進制造技術，逐漸代替傳統的生產模式。3D打印技術在當今的制造領域掀起了一股熱潮，有取代當今加工工藝的趨勢，其發展勢頭不可擋;鑒于此，基于3D打印技術與逆向工程建模的項目教學將成為培養學生提高制造技術的實踐能力和學生適應先進的現代化設計技術的重要方式與手段。本項目教學主要采用的是Handyscan三維掃描儀對零件實物進行掃描，再通過Geomagic Studio軟件進行逆向建模從而實現模型構建，最后通過3D打印技術實現零件實物的快速成型。通過本項目教學，學生可掌握3D打印快速成型技術與逆向工程建模技術，提高學生對現代化設計及制造技術的認知。

1逆向工程及其建模

所謂逆向工程（Reverse Engineering，簡稱RE）是相對正向工程技術而言的。正向工程技術就是先由工程師設計產品的二維或三維圖紙，然后根據圖紙進行產品的生產或制造。而逆向工程技術，就是指在沒有產品原始圖樣的情況下，利用現代測量技術手段，對實物模型進行數據采集，然后通過三維軟件來構建實物的CAD模型，最后制造出產品的過程。逆向工程技術能快速建立新產品的數據化模型，大大縮短新產品研發周期，提高企業產品設計和生產效率。

1.1三維掃描的原理

三維掃描是逆向建模的重要過程，是獲取模型三維數據的重要途徑。本實驗教學中掃描原理是基于數字光柵投 影的面結構光三維測量系統，它是由一個數字光柵投影裝置和兩個CCD攝像機組成，掃描時首先由數字光柵投影 裝置向被測物體投射一組光柵圖像，同時使用CCD攝像機拍攝被測物表面上的光柵圖像，根據相位計算方法得到光柵圖像的絕對相位值，此掃描系統包含參數設定、相位計算。

1.2三維數據的采集

三維數據采集是逆向工程建模的重要技術之一，在本項目教學中是基于Handyscan掃描儀進行數據采集的。首先對被掃描的工件進行準備，即貼定位點;其次把掃描儀和電腦連接好，將掃描儀的參數調試好;再打開對應掃描儀軟件進行系統標定，設定參數拼接方式等;最后進行掃描，經過多次旋轉測量獲得完整的點云數據，利用“Save session”選項來保存整個掃描以備以后在VXSCAN中進行編輯。

1.3處理點云數據

本實驗環節中應用軟件是Geomagic Studio，該軟件展現出了其逆向建模技術，可對掃描數據進行幾何形狀重構，再通過建模工具對實體特征進行再編輯從而實現模型重構。

點云處理首先將點云掃描數據導入Geomagic Studio;先進行全局注冊調整最大迭代數和采樣大小，接著合并點，觀察模型管理器 ，再去除體外孤點，統一采樣，封裝成多邊形，在數據模型的底部創建輔助平面，然后使數據模型放水平，調整數據模型在XY平面上的水平位置;最后導出數據。

1.4模型實體的建構

UG軟件針對點云處理進行網格編輯，內外孔的填補及邊界修補，對于表面不規則的自由曲面，可以在此軟件的草圖編輯模式下編輯其二維截面輪廓線，再進行拉伸等方式編輯，最后實現三維模型的重構。

2基于3D打印技術的快速成型

3D打印技術又叫快速成型技術，即Rapid Prototyping（簡稱RP技術）。快速成型技術是上世紀九十年代發展起來的一項先進制造技術，它是在現代CAD/CAM技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發展起來的。

2.1 3D打印技術的原理

RP技術的基本原理是：將計算機內的三維數據模型進行分層切片，得到各層截面的輪廓數據，計算機根據此信息控制激光器（或噴嘴），有選擇地燒結一層接一層的粉末材料（或固化一層又一層的液態光敏樹脂，或切割一層又一層的片狀材料，或噴射一層又一層的熱熔材料或粘合劑），形成一系列具有一個微小厚度的片狀實體，再采用熔結、聚合、粘結等手段使其逐層堆積成一體，便可以制造出所設計的新產品樣件或模型。

2.2快速成型的過程

3D 打印成型的過程主要有建模、切片分層、輸出打印成型、后處理四個部分。首先經過三維掃描逆向建模，并將其轉化為STL的格式文件;對應的模型輸入電腦后進行切片分層處理，切片軟件使用的CURA軟件，對模型的比例大小、放置方向、切片厚度等參數設置;分層處理后將數據輸入3D打印機中，由打印機機械機構部分完成逐層堆積成型;最后根據模型要求進行后處理。

3結語

對于本任務教學，從實物零件原始數據收集到三維模型重構最后3D打印，建立了3D打印技術與逆向工程建模新方式，讓學生掌握了三維掃描、模型重建、3D打印的方法，培養學生對現代化制造技術的實踐能力和創新能力。

通過對3D打印及逆向工程技術課程的教學改革與實踐，構建了以學生為中心，以應用能力培養為目標，以現代教育技術為支撐的教學環境。形成“理論-實操-上機”集成的一體化教學特色，以學生為中心的實踐型、互動性和自主學習的教學模式，突出培養學生的工程應用能力。以當前企業需求為導向，確保教學的先進性與實用性，從逆向工程流程的全局出發，注重學習新型測量設備的使用、數據處理軟件的使用、逆向建模軟件的使用和快速成型設備的操作。全面掌握逆向工程整個流程所需知識，充分利用實操設備著重工程實際應用能力的培養。

參考文獻

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